Визначення концентрацій пігментів фітопланктону в морській воді за даними дистанційних і контактних оптичних вимірювань

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЙ ПІГМЕНТІВ ФІТОПЛАНКТОНУ В МОРСЬКІЙ ВОДІ ЗА ДАНИМИ ДИСТАНЦІЙНИХ І КОНТАКТНИХ ОПТИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ

04.00.22 - геофізика

КОРЧОМКИНА ОЛЕНА МИКОЛАЇВНА

Севастополь _ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Лі Михайло Єн Гон,

Морський гідрофізичний інститут НАН України, завідувач відділом.

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Копелевич Олег Вікторович,

Інститут океанології РАН ім. П.П. Ширшова, завідувач лабораторією

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Станичний Сергій Володимирович,

Морський гідрофізичний інститут НАН України, в.о. завідувача відділом.

Захист відбудеться « 3 » грудня 2010 р. у 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д  50.158.02 в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України за адресою: 99011, Україна, м.  Севастополь, вул.  Капітанська, 2, малий конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України, м.  Севастополь, вул.  Капітанська, 2.

Автореферат розісланий « 25 » жовтня 2010 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Д  50.158.02

кандидат фізико-математичних наук О.І. Кубряков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

яскравість вода морський спектр

Актуальність теми дисертації. В даний час багато досліджень у області океанології направлене на створення моделі оперативного діагнозу і прогнозу біооптичного стану екосистеми моря. Основними вхідними параметрами для такої моделі служать дані про продуктивність моря, для оцінки якої необхідно знати абсолютні значення концентрації хлорофілу-а. Хлорофіл-а - це пігмент, присутній у всіх зелених рослинах, зокрема, у фітопланктоні.

Концентрація хлорофілу-а може бути визначена за дистанційними спостереженнями висхідного випромінювання моря. Перевага дистанційного зондування в порівнянні із завжди нечисленними, трудомісткими і дорогими контактними океанологічними спостереженнями полягає в оперативності, регулярності і великих об'ємах одержуваної інформації. Проте алгоритми, що відновлюють концентрацію хлорофілу-а за цими даними, недостатньо точні. Через регіональну специфіку вод супутникові оцінки концентрації хлорофілу-а можуть сильно відрізнятися від реальних значень, особливо в прибережних районах.

Існують дві основні причини таких неточностей: непридатність алгоритму відновлення концентрації хлорофілу по коефіцієнту яскравості моря для даного району і погрішності атмосферної корекції супутникових даних. При стандартній обробці супутникових даних по всьому Світовому океану використовуються емпіричні алгоритми, засновані на регресії між відношенням яскравостей моря в двох спектральних каналах і зміряною концентрацією хлорофілу. У випадку, якщо статистичні властивості масиву даних не співпадають з властивостями тієї вибірки, на якій була одержана регресія, такий алгоритм даватиме невірні результати.

На відміну від емпіричних алгоритмів, аналітичні засновані на фізичній моделі перенесення випромінювання в системі море-атмосфера. Крім того, знаючи біооптичні особливості морської води в досліджуваному районі, можна побудувати аналітичний алгоритм шляхом задавання відповідних настроювальних параметрів. Для районів, де емпіричні алгоритми дають невірні результати, актуальним є створення набору аналітичних алгоритмів для коректнішого відновлення концентрації хлорофілу.

При супутниковому дослідженні прибережних вод може відбуватися порушення роботи алгоритмів атмосферної корекції, які засновані на припущенні, що морська вода оптично не прозора на певних довжинах хвиль. Це відбувається з двох причин: по-перше, води типу 2 (мутні прибережні води) набагато яскравіші ніж води типу 1 (води відкритого моря), по-друге, атмосфера над побережжям може бути забруднена аерозолем теригенного походження (промисловими викидами, пилом, димом). Крім того, в прибережних районах висока мінливість саме дрібної фракції аерозолю. За рахунок цього може сильно змінюватися яскравість моря в короткохвильовій області і практично не мінятися в довгохвильовій, по якій виробляється корекція. Це приводить до великих помилок у визначенні висхідного випромінювання в синій частині спектру.

У зв'язку з цим актуальною проблемою є створення адаптованого до умов Чорного моря алгоритму для розрахунку концентрації хлорофілу. Наявність навіть приблизної оцінки особливостей віддзеркалення світла морем на межі діапазону вимірювань в синій області дозволила б значно підвищити точність атмосферної корекції в інших спектральних каналах. Це, у свою чергу, дає можливість поліпшити якість відновлення концентрації хлорофілу для Чорного моря.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту НАН України і міжнародної співпраці в рамках наступних завершених і діючих науково-дослідних програм:

Проект Космічного Агентства Франції «Довготривалі атмосферні біооптичні і гідрологічні спостереження в Чорному морі для валідації сканера MERIS», N02_CNES_4800000051, 2004 р., виконавець.

Проект НАН України «Дослідження закономірностей еволюції морських екосистем на підставі комплексного використання супутникових дистанційних вимірювань і моделей морського середовища» (шифр «Супутникова океанологія»), ДР  №  0101U001018, 2004 - 2005  рр., виконавець.

Угода про наукову співпрацю між Польською академією наук (ПАН) і Національною академією наук України (НАНУ) на 2005 - 2008 рр. «Визначення оптичних властивостей морської води для задач дистанційного зондування з борту ІСЗ».

Проект НАН України «Забезпечення надійного контролю течій при проведенні геологорозвідувальних робіт на основі асиміляції дистанційних вимірювань з ІСЗ в моделях регіональної динаміки» (шифр «Течія - МГІ»), ДР  №  0102U001483, 2004 - 2006  рр., виконавець.

Державна цільова програма «Моніторинг Азово-чорноморського басейну і природних катастроф» (шифр «Моніторингові системи»), ДР  №  0107U001160, 2007 - 2011 рр., виконавець.

Проект НАТО ESP.EAP.SFPP 982678 «Біооптичні характеристики Чорного моря для застосування в дистанційному зондуванні», 2009 - 2012 рр., виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення алгоритму дистанційного визначення концентрації хлорофілу у водах Чорного моря.

В ході виконання роботи були вирішені наступні задачі.

Проведені підсупутникові вимірювання коефіцієнта яскравості моря.

Вдосконалена біооптична модель коефіцієнта яскравості з урахуванням особливостей оптичних властивостей вод Чорного моря.

Створений алгоритм розрахунку концентрацій оптично активних компонентів морської води, який дозволяє врахувати найістотніші особливості їх спектрів поглинання і розсіяння.

Розроблена методика корекції спектрів коефіцієнта яскравості для удосконалення стандартних методик атмосферної корекції.

Проведений аналіз результатів застосування розробленої методики і виконано їх порівняння з результатами, одержаними при використанні стандартних методів.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є акваторія Чорного моря. Предметом є біооптичні характеристики вод Чорного моря та зв'язок коефіцієнта яскравості морської води з концентрацією хлорофілу-а і інших оптично активних компонентів.

Методи дослідження. Основними методами дослідження, використаними в роботі, є дистанційні і контактні оптичні вимірювання, а також чисельне моделювання коефіцієнта яскравості моря з використанням трьохпараметричної біооптичної моделі.

Наукова новизна одержаних результатів. Поліпшений і адаптований для Чорного моря аналітичний метод рішення зворотних задач біооптики моря, що дозволяє відновлювати спектральні характеристики поглинання і розсіяння морської води по спектру коефіцієнта яскравості.

Вперше запропонований алгоритм розрахунку концентрацій основних оптично активних компонентів морської води, що використовує характерні особливості поглинання і розсіяння цих компонентів для підвищення точності обчислень.

Вперше розроблена методика корекції супутникових вимірювань спектру коефіцієнта яскравості шляхом внесення додаткової поправки у вимірюваний спектр, яка враховує погрішність стандартних методик атмосферної корекції.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений метод рішення зворотної задачі відновлення концентрацій оптично активних компонентів по вимірюваннях коефіцієнта яскравості на практиці дозволяє оперативно визначати концентрацію хлорофілу-а, а також судити про екологічний стан моря і визначати райони моря, багаті біоресурсами.

Одержані результати можуть бути використані для планування і проведення моніторингу екологічного стану чорноморського басейну і для оцінки його промислового потенціалу.

Результати і висновки дисертації використовувалися:

- для обробки супутникових вимірювань коефіцієнта яскравості в рамках сумісних проектів НАН України і Космічного Агентства Франції в 2004 році, а також в рамках угоди про наукову співпрацю між Польською академією наук і НАН України в 2007 році;

- при вивченні гідробіологічних процесів в Чорному морі в рамках проекту Космічного Агентства Франції «Довготривалі атмосферні біооптичні і гідрологічні спостереження в Чорному морі для валідації сканера MERIS».

Особистий внесок здобувача. Загальна ідеологія рішення зворотної задачі і концепція методики атмосферної корекції запропоновані автором спільно з науковим керівником. Конкретна постановка задачі і методи її рішення запропоновані автором. Автор брала безпосередню участь в підсупутникових вимірюваннях на океанографічній платформі, а також проводила обробку супутникових і контактних даних. Автором виконана адаптація фізичних моделей оптичних властивостей водного середовища до умов Чорного моря, чисельно реалізований алгоритм рішення зворотної задачі. Автором виконана основна частина роботи по аналізу і теоретичній інтерпретації одержаних результатів.

Частка наукових результатів, що увійшли до дисертації, опубліковані в співавторстві з М.Є. Лі, Є.Б. Шибановим, О.В. Мартиновим, які брали участь в постановці задач, експериментальних дослідженнях, аналізі і інтерпретації отриманої інформації.

У статтях, опублікованих із співавторами, конкретний внесок здобувача полягає в наступному:

у [6, 7, 12 - 14] - участь в постановці задач, обробка експериментальних даних, адаптація аналітичної моделі коефіцієнта яскравості для Чорного моря, написання програми для розрахунку концентрацій оптично активних компонентів морської води, інтерпретація результатів і формулювання висновків;

у [1, 2, 8, 15, 16, 18] - участь в постановці задач, обробка експериментальних даних, модифікація алгоритму розрахунку концентрації хлорофілу-а з виділенням спектральних ділянок для знаходження концентрації кожного оптично активного компонента, дослідження алгоритму на стійкість по вхідних параметрах, аналіз результатів і формулювання висновків;

у [3, 4, 9, 10, 17] - участь в постановці задач, розробка методики корекції спектрів коефіцієнта яскравості, розрахунок концентрацій фотосинтетичних пігментів фітопланктону по супутникових вимірюваннях коефіцієнта яскравості із застосуванням розробленої методики корекції, побудова карт розподілу концентрації хлорофілу-а, участь в інтерпретації результатів і формулюванні висновків;

у [5, 19] - участь в постановці задач, проведення чисельного експерименту для точного визначення границь спектральних ділянок, в яких розраховуються концентрації кожного оптично активного компоненту, модифікація методики корекції з урахуванням одержаних границь ділянок, модифікація методики корекції для глибоководної частини Чорного моря із застосуванням малопараметричного опису коефіцієнта яскравості, розрахунок карт розподілу концентрацій хлорофілу-а, аналіз результатів і формулювання висновків.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені і обговорювалися на наступних конференціях і семінарах:

Міжнародна наукова конференція «Сучасний стан екосистем Чорного і Азовського морів», Крим, Донузлав, 13 - 16 вересня 2005 р.

Міжнародний науково-технічний семінар «Системи контролю навколишнього середовища», Севастополь, 21 - 23 вересня 2005 р.

Міжнародна наукова конференція студентів, аспірантів і молодих учених «Ломоносов - 2006», Севастополь, 4 - 5 травня 2006 р.

Міжнародний науково-технічний семінар «Системи контролю навколишнього середовища», Севастополь, 18 - 22 вересня 2006 р.

Міжнародна наукова конференція студентів, аспірантів і молодих учених «Географія, геоекологія, геологія: досвід наукових досліджень», Дніпропетровськ, 19 - 20 квітня 2007 р.

Міжнародна молодіжна наукова конференція «Сучасні проблеми раціонального природокористування в прибережних морських акваторіях України», Кацивелі, 12 - 14 червня 2007 р.

IV Міжнародна конференція «Сучасні проблеми оптики природних вод», Нижній Новгород, Росія, 11 - 15 вересня 2007 р.

VII Харківська конференція молодих учених «Радіофізика і електроніка», Харків, 12 - 14 грудня 2007 р.

Всеукраїнська конференція «Аерокосмічні спостереження на користь стабільного розвитку і безпеки», Київ, 3 - 5 червня 2008 р.

12-а Міжнародна конференція «Математичні методи в електромагнітній теорії», Одеса, 29 червня - 2 липня 2008 р.

4-а Міжнародна конференція «Навколишнє середовище - XXI», Дніпропетровськ, 9 - 10 жовтня 2008 р.

V Міжнародна конференція «Сучасні проблеми оптики природних вод», Санкт-Петербург, Росія, 8 - 12 вересня 2009 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в співавторстві в 19 наукових роботах, зокрема в 3 статтях [1-3] в наукових журналах та в 4 статтях [4, 5, 12, 13] у збірниках наукових праць, і в 12 наукових публікаціях [7-11, 14-19] в збірниках матеріалів і тез конференцій різного рівня. Публікації [1-5] відповідають вимогам ВАК України по фізико-математичних науках і повністю відображають основні результати дисертації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обговорюються актуальність і сучасний стан задачі дистанційного визначення концентрації хлорофілу в морській воді, формулюються цілі і задачі дисертації. Показаний зв'язок роботи з науковими програмами і темами Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України, викладені методи дослідження і наукова новизна одержаних результатів, положень і висновків, описане практичне значення роботи, її апробація, обсяг публікацій і структура роботи.

Перший розділ присвячений загальним питанням методики визначення біохімічних параметрів морської води по дистанційних вимірюваннях яскравості стосовно мутних прибережних вод (вод типу 2). У підрозділі 1.1 розглядаються алгоритми, вживані для визначення концентрацій оптично активних компонентів морської води за даними вимірювань коефіцієнта яскравості. Освітлені дві основні групи алгоритмів: емпіричні і засновані на моделюванні. Дається детальне обговорення принципів, припущень і обмежень для різних типів алгоритмів.

Емпіричні алгоритми встановлюють зв'язок між оптичними вимірюваннями і концентрацією оптично активних компонентів, ґрунтуючись на наборах експериментальних даних, тобто вимірюваннях коефіцієнта яскравості і супутніх вимірюваннях концентрацій хлорофілу in situ. Переваги емпіричних алгоритмів у тому, що вони прості, легко виводяться навіть з обмеженого числа вимірювань (за умови, що вони покривають потрібний діапазон концентрацій), їх легко застосовувати і тестувати. Вони вимагають мало часу для обчислень завдяки їх математичній простоті, і вони гарантують стабільний результат за умови, що не порушені їх межі застосовності.

Проте існує декілька обмежень для емпіричних алгоритмів. Одержаний взаємозв'язок дійсний тільки для даних, чиї статистичні властивості ідентичні властивостям того набору даних, який використовувався для визначення коефіцієнтів. Зокрема, ці алгоритми чутливі до зміни складу компонентів водних мас (регіональні і сезонні явища). За своєю природою емпіричні алгоритми завжди регіональні.

Загальна риса модельних підходів - використання біооптичних моделей для опису взаємозв'язку концентрацій компонентів морської води і спектру висхідного випромінювання або коефіцієнта яскравості, а також моделей перенесення випромінювання для моделювання розповсюдження світла у воді і атмосфері. Простіший з методів, заснованих на моделюванні, полягає в отриманні алгебраїчних рівнянь, які зв'язують напіваналітичні моделі кольору моря з шуканими біооптичними величинами. Альтернативний метод полягає в інверсії дистанційно вимірюваної яскравості за допомогою схем нелінійної оптимізації. У цьому методі пряма модель - на рівні поверхні моря або на верхній межі атмосфери - змінюється на зворотну шляхом мінімізації різниці між розрахованими і зміряними величинами яскравості.

У підрозділі 1.2 проводиться порівняльний аналіз розглянутих методів і вибір методики дослідження. Оскільки емпіричні алгоритми завжди регіональні і не мають можливості перенастроюватися, було вирішено відмовитися від статистичного способу опису на користь фізичного.

Другий розділ дисертації присвячений теоретичним основам пропонованих методик розрахунку концентрації хлорофілу і корекції спектру коефіцієнта яскравості. У підрозділі 2.1 описані дані, одержані в результаті серії натурних експериментів в Чорному морі. Експерименти полягали у спільному вимірюванні різних оптичних параметрів морського середовища, таких, як спектри коефіцієнта яскравості, показник ослаблення направленого світла і індикатриса розсіяння, і визначенні концентрації хлорофілу біологічними методами. Закономірності, одержані в результаті проведених експериментів, лягли в основу пропонованої методики корекції.

У підрозділі 2.2 розглядаються біооптична модель коефіцієнта яскравості і оптимізований алгоритм обчислень концентрації хлорофілу. Біооптична модель встановлює зв'язок характеристик висхідного випромінювання з первинними гідрооптичними характеристиками морської води - поглинанням і розсіянням оптично активних компонентів, а також враховує залежність між оптичними параметрами і концентраціями компонентів.

У роботі для цього використовується трьохпараметрична модель коефіцієнта яскравості, що описує його залежність від концентрації хлорофілу С_chl, поглинання неживої органіки C_ddm і розсіяння зважених мінеральних частинок b_bp(л₀):

,

де k вважається константою і приймається рівною 0,15, і - зворотне розсіяння і поглинання чистої морської води, відповідно, - зворотне розсіяння частинок суспензії, л - довжина хвилі, л₀=400 нм. Вхідними параметрами моделі служать спектр питомого поглинання хлорофілу і параметр спектрального нахилу поглинання жовтої речовини б.

При знаходженні параметрів моделі (b_bp(л₀), С_chl, C_ddm) одержаний аналітичний вираз для коефіцієнта яскравості використовується для апроксимації експериментальних даних. При цьому використовується модифікований для даної задачі метод оптимізації, заснований на методі найменших квадратів. Він полягає у виділенні ділянок у видимій області, причому концентрація кожного компонента визначається на тій спектральній ділянці, де його вплив виявляється найістотнішім в порівнянні з впливом інших компонентів. Це дає можливість розрізнити спектри поглинання, ґрунтуючись на відомих загальних закономірностях їх поведінки. Поглинання жовтої речовини визначатиметься в синій області спектру, а поглинання пігментів фітопланктону - у області максимуму їх питомого поглинання. Зворотне розсіяння суспензією розраховуватиметься в діапазоні 460 - 650 нм.

Критерієм розділення на ділянки було вибране найкраще узгодження відновленого параметра з модельним. У цьому полягає відмінність від методів нелінійної оптимізації, де критерієм якості є найкраща апроксимація експериментальних даних.

Докладне обґрунтування розробленої методики корекції приведене в підрозділі 2.3, де також описані способи її застосування. Пропонується здійснювати корекцію спектру коефіцієнта яскравості шляхом додавання поправочного доданку, що має вигляд:

,

причому для визначення коефіцієнтів а і b потрібно знати оцінні значення коефіцієнта яскравості на межах діапазону вимірювань. Поза смугою поглинання хлорофілу (умовно 420 - 460 нм) в першому наближенні можна рахувати коефіцієнт яскравості двохпараметричним. Тому в роботі використовувалася двохпараметрична модель із заниженим нахилом поглинання неживої органіки для оцінки коефіцієнта яскравості на довжині хвилі 412 нм.

Спектральна залежність поправочного доданку визначалася по спектру першого власного вектора коваріаційної матриці коефіцієнта яскравості моря, знайденому для випадку найбільшого внеску атмосфери у висхідну яскравість. Таким чином, перший власний вектор описує мінливість коефіцієнта яскравості, яка в даному випадку визначалася впливом погрішності атмосферної корекції.

У третьому розділі приведени результати розрахунків концентрації хлорофілу з використанням пропонованого аналітичного алгоритму, а також їх порівняння з даними, одержаними іншими методами, як шляхом прямих біологічних визначень, так і шляхом використання різних біооптичних алгоритмів. У підрозділі 3.1 проведене дослідження алгоритму на чутливість до вхідних параметрів. Всі перевірки проводилися на даних, одержаних з поверхні моря, для яких є одночасні вимірювання концентрації хлорофілу біологічними методами. Був вивчений вплив наступних чинників: варіації вхідних параметрів (спектрального нахилу поглинання неживої органіки, спектрального нахилу розсіяння суспензії, параметру поглинання хлорофілу, що відповідає за форму спектру питомого поглинання), нелінійності у виразі для коефіцієнту дифузного відбиття, зміни моделі питомого поглинання хлорофілу. Показано, що найбільший вплив на відновлювані концентрації хлорофілу має погрішність параметру спектрального нахилу поглинання неживої органіки, причому застосування розробленої методики корекції дозволяє істотно понизити чутливість до цього параметру і підвищити стійкість рішення зворотної задачі.

У підрозділі 3.2 проводиться аналіз меж застосовності алгоритму, в яких виконується умова двохпараметричності коефіцієнта яскравості. Для моделювання використовувалася ситуація цвітіння кокколітофорід, коли у воді міститься велика кількість мінеральної суспензії, що сильно впливає на розсіяння і набагато слабкіше - на поглинання. Показано, що пропонований метод корекції дозволяє підвищити стійкість обчислень в цьому випадку, і алгоритм здатний відтворювати значення концентрації хлорофілу при початковій стадії цвітіння кокколітофорід (концентрація мінеральної суспензії до 3·10¹⁰ м^-3).

У підрозділі 3.3 розглядається робота методики корекції і показано її вплив на результати роботи алгоритму на прикладах просторового розподілу концентрації хлорофілу. Карти розподілу були одержані декількома способами: з корекцією спектру коефіцієнта яскравості і без неї. Аналіз приведених варіантів використання методики корекції показує, що корекція необхідна для прибережних районів, де помилки стандартної атмосферної корекції можуть приводити до заниження значень яскравості в короткохвильовій області. У разі використання корекції для відкритої частини моря необхідно використовувати ту модифікацію алгоритму, у якій значення коефіцієнта яскравості в короткохвильовій області, використовуване при корекції, обчислюється для кожного спектру. Це необхідно, оскільки величини коефіцієнта яскравості істотно змінюються при переході від прибережних вод до вод відкритої частини моря, і для великої акваторії постійності коефіцієнта яскравості в короткохвильовому каналі спостерігатися не буде.

Аналіз концентрацій хлорофілу, одержаних за даними контактних і супутникових вимірювань коефіцієнта яскравості, приведений в підрозділі 3.4. Порівнюються результати, одержані запропонованим методом і стандартним емпіричним методом ОС-4. Крім того, для валідації алгоритму одержані концентрації хлорофілу і неживої органіки зіставлені з біологічно зміряними

В порівнянні з результатами розрахунків по емпіричних формулах ОС-4 спостерігається краща кореляція одержаних за допомогою моделі концентрацій пігментів з біологічними даними. Крім того, чисельні значення відновлених концентрацій ближчі до зміряних біологічними методами. Перевірка методики на даних, одержаних при вимірюваннях з платформи, показує, що при використовуванні корекції розраховані значення концентрацій чисельно краще відповідають біологічним даним, розкид даних щодо лінії регресії стає меншім, що помітно по величині стандартного відхилення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пропонований метод дозволяє відновлювати також спектри поглинання пігментів фітопланктону за наявності безперервного спектру коефіцієнта яскравості. Одержані спектри порівнюються з модельними спектрами поглинання хлорофілу для виявлення побічних фотосинтетичних пігментів.

Обчислений спектр в цілому співпадає по формі з модельним спектром поглинання, тобто має глобальний максимум поглинання на довжині хвилі 443 нм. Спектр поглинання достовірно розраховується в діапазоні 390 - 580 нм, другий максимум поглинання хлорофілу в довгохвильовій області (680 нм) не відтворюється унаслідок великих погрішностей вимірювання коефіцієнта яскравості. На рис. 2 приведений середній відновлений спектр для літнього періоду 2004 р., показане середньоквадратичне відхилення, штриховою лінією показаний модельний спектр.

Окрім головного максимуму, на спектрах є локальні максимуми на довжинах хвиль 410 - 415 нм і 570 нм. Максимуми у області 410 - 415 нм можна співвіднести до продуктів розпаду хлорофілу-а. Максимуми поглинання на довжині хвилі 570 нм можна пояснити наявністю у воді ціанобактерій, що містять пігменти фікоерітрини, які мають смуги поглинання у області 500 - 570 нм.

Для валідації пропонованої методики корекції проведене порівняння спектрів коефіцієнта яскравості, зміряних з платформи і відновлених за супутниковими даними після корекції. На рис. 3 приведені приклади для тих випадків, коли були в наявності супутникові дані для району платформи. Спостерігається хороша відповідність спектрів, зміряних з поверхні моря, і спектрів, одержаних за супутниковими даними із застосуванням пропонованої методики корекції.

Проведені перевірки дозволяють встановити, що пропонований метод можна використовувати для визначення концентрації хлорофілу за даними коефіцієнта яскравості, одержаними за допомогою супутникових сканерів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У Додатку А показане зіставлення карт розподілу хлорофілу в Чорному морі, одержаних розробленим методом і стандартним методом ОС-4. Для періоду вимірювань наголошується хороша відповідність як між результатами супутникових і контактних вимірювань, так і між контактними вимірюваннями і результатами, одержаними за допомогою ОС-4. У відкритій частині моря розподіл концентрації хлорофілу, відновлений різними методами, має приблизно однакову просторову структуру, значення концентрацій також близькі. Істотні відмінності спостерігаються в прибережних водах і на північно-західному шельфі, де концентрації відрізняються приблизно в 2 рази.

У Додатку Б приведена таблиця всіх концентрацій хлорофілу, одержаних по натурних вимірюваннях і відновлених по вимірюваннях коефіцієнта яскравості в результаті підсупутникового експерименту. Концентрації хлорофілу були одержані пропонованим методом, а також стандартним методом ОС-4 за даними дистанційних і контактних вимірювань коефіцієнта яскравості.

ВИСНОВКИ

В ході виконання дисертаційної роботи одержаний регіональний аналітичний алгоритм, що дозволяє розраховувати концентрації хлорофілу в морській воді за даними дистанційних вимірювань коефіцієнта яскравості. Основні результати і висновки роботи можуть бути сформульовані в наступному вигляді:

1. Проведений експеримент, в результаті якого одержані квазісинхронні супутникові і контактні вимірювання коефіцієнта яскравості, а також значення концентрації хлорофілу in situ.

2. Вдосконалена біооптична модель коефіцієнта яскравості з урахуванням особливостей оптичних властивостей вод Чорного моря. У ній використані моделі поглинання і розсіяння оптично активними компонентами морської води, одержані по вимірюваннях, проведених в Чорному морі одночасно з вимірюваннями коефіцієнта яскравості на океанографічній платформі.

3. Одержаний ітераційний аналітичний алгоритм для обчислення концентрацій оптично активних компонентів - пігментів фітопланктону, суспензії і неживої органіки.

Особливістю алгоритму є те, що кожна концентрація обчислюється на тій ділянці спектру, де він робить найбільший вплив на коефіцієнт яскравості. Це дозволяє стабілізувати обчислення шляхом переходу до почергової мінімізації по одному параметру замість трьох і підвищує стійкість рішення зворотної задачі.

4. Розроблена методика корекції даних коефіцієнта яскравості. Запропоновано дві модифікації методики - для обробки точкових вимірювань (при постійному значенні коефіцієнта яскравості в синій області) і для обробки супутникових даних по всій акваторії (при змінному значенні, яке визначається в ітераційній процедурі). Методика корекції дозволяє уникнути втрати даних, пов'язаної з помилками стандартної атмосферної корекції.

Показано, що при використовуванні корекції помітно зменшується вплив вхідних даних, зокрема, параметру спектрального нахилу поглинання жовтої речовини, на відновлені концентрації хлорофілу. Завдяки зниженню чутливості алгоритму до вхідних параметрів можна використовувати їх наближені значення, характерні для даних акваторій в середньому.

5. Показано, що одержані за допомогою аналітичного алгоритму величини концентрацій хлорофілу краще узгоджуються з даними біологічних вимірювань, в порівнянні з результатами роботи стандартного алгоритму ОС-4. За наслідками обробки даних підсупутникового експерименту (2002 - 2004 роки), в якому проводилися прямі визначення концентрації хлорофілу, погрішності відновлення концентрації хлорофілу складають близько 10% при використовуванні аналітичного методу, близько 40% при використовуванні алгоритму ОС-4. Відновлені концентрації неживої органіки також добре узгоджуються з біологічними даними, а зворотне розсіяння суспензією - з даними безпосереднього вимірювання показника розсіяння.

6. За даними суцільного спектру коефіцієнта яскравості були розраховані спектри питомого поглинання пігментів фітопланктону. Додаткові максимуми поглинання в ньому дозволяють одержати інформацію про наявність у воді додаткових фотосинтетичних пігментів. Аналітичний алгоритм дозволяє досить просто оцінити наявність у воді речовин, які важко визначати біологічно, що дає інформацію про присутність тих або інших мікроорганізмів.

7. Показано, що алгоритм має межу застосовності, обумовлену допущенням про постійність коефіцієнта яскравості на червоній границі діапазону вимірювань. Проте максимально допустиме значення зміряного коефіцієнта яскравості в червоній області приблизно на порядок перевищує середню величину для Чорного моря, тому алгоритм може бути непридатний тільки у водах з великим значенням показника розсіяння, наприклад, при розвиненому цвітінні кокколітофорід або в аналогічних умовах.

Одержана методика може застосовуватися для обробки супутникових даних коефіцієнта яскравості при дистанційному зондуванні Чорного моря, при проведенні моніторингу екологічного стану чорноморського басейну.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Шибанов Е.Б. Восстановление биооптических характеристик вод Черного моря при условии постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм / Е.Б. Шибанов, Е.Н. Корчемкина // Морской гидрофизический журнал. - 2008. - №1 - C. 38 - 50.

Корчемкина Е.Н. Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // Радиофизика и электроника. - 2008. - Т. 13, №2. - С. 256 - 262.

Корчемкина Е.Н. Усовершенствование методики атмосферной коррекции для дистанционных исследований прибрежных вод Черного моря / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов, М.Е. Ли // Исследование Земли из космоса. - 2009. - №6. - С. 24 - 30.

Шибанов Е.Б. Региональный аналитический алгоритм восстановления первичных гидрооптических характеристик морской воды по данным коэффициента яркости / Е.Б. Шибанов, Е.Н. Корчемкина // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2007. - Вып. 15. - С. 397 - 404.

Корчемкина Е.Н. Усовершенствование метода дистанционного определения концентрации пигментов фитопланктона / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2008. - Вып. 17. - С. 303 - 308.

Шибанов Е.Б. Метод решения обратной задачи биооптики моря по данным эксперимента на океанографической платформе / Е.Б. Шибанов, Е.Н. Корчемкина // Современное состояние экосистем Черного и Азовского морей: междунар. научн. конф., 13-16 сентября 2005 г.: тезисы докладов. - Севастополь, 2005. - С. 170.

Корчемкина Е.Н. Метод решения обратной задачи биооптики моря по данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // Ломоносовские чтения, Ломоносов - 2006: междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 4-5 мая 2006 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2006. - C. 19.

Шибанов Е.Б. Восстановление оптических характеристик фитопланктона при условии постоянства коэффициента яркости на длине волны 412 нм / Е.Б. Шибанов, Е.Н. Корчемкина // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: междунар. молодежная науч. конф., 12 - 14 июня 2007 г.: тезисы докл. - Кацивели, 2007. - C. 27.

Корчемкина Е.Н. Восстановление первичных гидрооптических характеристик морской воды по спутниковым данным коэффициента яркости / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // Радиофизика и электроника: VII Харьковская конф. молодых ученых, 12 - 14 декабря 2007 г.: тезисы докл. - Харьков, 2007. - С. 95.

Корчемкина Е.Н. Региональный алгоритм восстановления концентраций пигментов фитопланктона / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов, М.Е. Ли // Аэрокосмические наблюдения в интересах стабильного развития и безопасности: Всеукраинская конф., 3-5 июня 2008 г.: тезисы докл. - Киев, 2008. - С. 90 - 91.

Korchemkina E.N. Improved method of remote sensing retrieval of sea water chlorophyll / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Mathematical methods in Electromagnetic Theory: International Conference, June 29 - July 2, 2008: proceedings. - Odessa, 2008. - P. 372 - 374.

Шибанов Е.Б. Метод определения спектрального показателя поглощения фитопланктона по коэффициенту яркости моря / Е.Б. Шибанов, Е.Н. Корчемкина // Системы контроля окружающей среды: междунар. науч.-техн. семинар, 21 - 23 сентября 2005 г.: тезисы докл. - 2005. - C. 90 - 94.

Корчемкина Е.Н. Восстановление концентраций оптически активных примесей морской воды в условиях большой изменчивости концентрации взвеси / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // Системы контроля окружающей среды: междунар. науч.-техн. семинар, 18 - 22 сентября 2006 г.: тезисы докл. - 2006. - C. 76 - 79.

Lee M.E. Improving regional bio-optical inversion algorithms using state-of-the-art hydro-optical instrumentation / M.E. Lee, E.B. Shybanov, E.N. Korchemkina, O.V. Martynov, // Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters: SPIE proceedings [Электронный ресурс]. - 2007. - Vol. 6615. - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1117/12.740443.

Корчемкина Е.Н. Восстановление концентраций оптически активных примесей морской воды по коэффициенту яркости моря / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов // География, геоэкология, геология: опыт научных исследований: междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных, 19 - 20 апреля 2007 г.: тезисы докл. - Днепропетровск, 2007. - C. 386 - 389.

Korchemkina E.N. Regional analytical algorithm of seawater constituents concentrations retrieving from sea reflectance / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 11 - 15, 2007: proceedings. - Nizhny Novgorod, 2007. - Р. 166

Korchemkina E.N. Improved method of remote sensing retrieval of sea water admixtures concentrations / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov, M.E. Lee // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 11 - 15, 2007: proceedings. - Nizhny Novgorod, 2007. - Р. 171 - 174.

Корчемкина Е.Н. Алгоритм расчета концентраций пигментов фитопланктона по данным дистанционного зондирования / Е.Н. Корчемкина, Е.Б. Шибанов, М.Е. Ли // Окружающая среда - XXI: междунар. конф., 9-10 октября 2008 г.: тезисы докл. - Днепропетровск, 2008. - С. 63 -

Korchemkina E.N. Special minimization technique for analytical algorithms of chlorophyll retrieval / E.N. Korchemkina, E.B. Shybanov // Current problems in optics of natural waters: International Conference, Sept. 8 - 12, 2009: proceedings. - Saint-Petersburg, 2009. - Р. 73 - 77.

АННОТАЦИЯ

Корчемкина Е.Н. Определение концентраций пигментов фитопланктона в морской воде по данным дистанционных и контактных оптических измерений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь, 2010.

Диссертация посвящена решению обратной задачи биооптики моря, состоящей в дистанционном определении концентрации пигментов фитопланктона в морской воде. Исследование выполнено на основе данных, полученных в рамках подспутникового эксперимента по измерению коэффициента яркости морской воды, проводившегося на океанографической платформе, и состоявшего в получении квазисинхронных измерений коэффициента яркости контактными и дистанционными методами, а также определении концентрации хлорофилла in situ. Решены обе подзадачи дистанционного зондирования: во-первых, предложен способ коррекции дистанционных измерений спектра коэффициента яркости, во-вторых, разработан биооптический алгоритм для нахождения концентрации хлорофилла по коэффициенту яркости моря.

В первом разделе описаны существующие методы дистанционного определения концентрации хлорофилла в морской воде, и производится их анализ и выбор типа биооптического алгоритма, который будет применяться в работе. В данной работе используется полуаналитическое описание коэффициента яркости трехпараметрической моделью. Выбранный метод сочетает в себе относительную простоту расчетов и возможность подстройки алгоритма под региональные биооптические особенности морской воды.

Во втором разделе описан проведенный подспутниковый эксперимент и полученные данные. Подробно описана трехпараметрическая модель коэффициента яркости, применяющаяся в работе. Параметрами модели служат концентрации хлорофилла и неживой органики, а также обратное рассеяние взвесью. Таким образом, в модели представлены наиболее важные оптически активные компоненты морской воды. Модель адаптирована к условиям Черного моря, подстройка производится за счет выбора соответствующих значений входных параметров - спектрального наклона поглощения неживой органики и спектра удельного поглощения хлорофилла. Для определения трех параметров модели по экспериментальным данным используется модифицированный метод минимизации. В нем каждый параметр модели определяется на отдельном спектральном участке в итерационной процедуре. Участки выбраны таким образом, чтобы данный параметр имел там наибольшее влияние на коэффициент яркости по сравнению с остальными участками спектра. Данный метод позволяет повысить устойчивость решения обратной задачи и упростить вычисления. Кроме того, он является наиболее корректным физически, поскольку в нем критерием оптимизации является не наиболее точное описание экспериментальных данных моделью, а лучшее соответствие определяемого параметра реальному.

Для устранения погрешностей стандартных методов атмосферной коррекции разработан дополнительный метод коррекции, основанный на характерных особенностях спектра коэффициента яркости в Черном море. Поскольку наибольшее влияние на коэффициент яркости оказывает неживая органика, то можно в первом приближении упростить его параметризацию, и использовать двухпараметрическую модель для оценки коэффициента яркости в коротковолновой части спектра, где погрешности атмосферной коррекции максимальны. Данный метод позволяет избежать потери данных, которая зачастую возникает при исследовании прибрежных зон.

В третьем разделе проводится анализ результатов работы алгоритма, сопоставление результатов с данными натурных измерений. Проведено исследование разработанного алгоритма на чувствительность к различным входным параметрами и гидробиологическим условиям, определяется область его применимости. Сопоставление концентраций хлорофилла, измеренных in situ и восстановленных по данным оптических измерений, показывает их хорошее соответствие. Предлагаемый метод позволяет восстанавливать также спектры поглощения пигментов фитопланктона при наличии непрерывного спектра коэффициента яркости.

Наблюдается хорошее соответствие спектров, измеренных с поверхности моря, и спектров, полученных по спутниковым данным с применением предлагаемой методики коррекции. На основании проделанных проверок можно заключить, что предлагаемый алгоритм можно использовать для обработки спектров коэффициента яркости, полученных при помощи спутниковых сканеров.

Ключевые слова: биооптика, коэффициент яркости морской воды, обратные задачи, дистанционное зондирование, хлорофилл.

АНОТАЦІЯ

Корчомкина О.М. Визначення концентрацій пігментів фітопланктону в морській воді за даними дистанційних і контактних оптичних вимірювань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 04.00.22 - геофізика. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, р. Севастополь, 2010.

Дисертація присвячена рішенню зворотної задачі біооптики моря, що полягає в дистанційному визначенні концентрації пігментів фітопланктону в морській воді. Дослідження виконане на основі даних, одержаних в рамках підсупутникового експерименту по вимірюванню коефіцієнта яскравості морської води, що проводився на океанографічній платформі.

Як рішення задачі розроблений метод відновлення концентрацій хлорофілу по спектрах коефіцієнта яскравості, який включає регіональний біооптичний алгоритм, що дозволяє визначати концентрації хлорофілу і неживої органічної речовини, і зворотне розсіяння суспензією, а також додатковий метод корекції супутникових даних для усунення погрішностей стандартних методів атмосферної корекції. Розроблений метод має можливість підстроювання під регіональні біооптичні особливості морської води. Крім того, в ньому використовується спеціально модифікований метод мінімізації, що дозволяє стабілізувати рішення зворотної задачі і спростити обчислення.

Зіставлення концентрацій хлорофілу, зміряних in situ і відновлених за даними оптичних вимірювань, показує хорошу відповідність. Пропонований метод дозволяє відновлювати також спектри поглинання пігментів фітопланктону за наявності безперервного спектру коефіцієнта яскравості.

Ключові слова: біооптика, коефіцієнт яскравості морської води, зворотні задачі, дистанційне зондування, хлорофіл.

ANNOTATION

Korchomkina E.N. Determination of phytoplankton pigments concentrations in seawater using remote sensing and contact optical measurements. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of physical and mathematical sciences on speciality 04.00.22 - geophysics. Marine Hydrophysical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2010.

Dissertation is concerned with the solution of inverse problem of marine biooptics, consisting in remote determination of phytoplankton pigments concentrations in seawater. Investigation is based on results of subsatellite experiment, including field measurements of seawater from an oceanographic platform.

As the solution of inverse problem the method of chlorophyll concentrations retrieval using reflectance spectra is developed, including a regional biooptical algorithm, allowing to determine concentrations of chlorophyll and nonliving organic matter and particles backscattering. Also additional method of satellite information correction in order to eliminate errors of standard methods of atmospheric correction is proposed. The chosen method can be tuned considering the regional biooptical features of seawater. In addition, the specially modified method of minimization, allowing to stabilize the inverse problem solution and to simplify the calculations, is used.

Comparison of chlorophyll concentrations, measured in situ and recovered from data of the optical measurements, shows good accordance. Also, the proposed method allows to retrieve spectra of phytoplankton pigments absorption if continuous reflectance spectrum is measured.

Keywords: biooptics, seawater reflectance, inverse problem, remote sensing, chlorophyll.

Размещено на Allbest.ru

...